工艺技术_工艺参数对注塑制品质量的影响研究

收稿日期:2003 - 04 - 28;修订日期:2003 - 06 - 20 基金项目:国家 “863” 计划资助项目(2002AA336120) 作者简介:王利霞(1969 - ) ,女,河南省长垣县人,郑州大学副教授,博士研究生,主要从事高聚物成型模拟、 工艺优 化及制品质量控制方面的研究 1 文章编号:1671 - 6833(2003)03 - 0062 - 05 工艺参数对注塑制品质量的影响研究 王利霞,王 蓓,申长雨 (郑州大学橡塑模具国家工程研究中心,河南 郑州450002) 摘 要:注塑成型工艺过程极其复杂且其对制品质量有重要的影响,获得优化的工艺参数是改善制品 质量的关键. CAE技术可辅助优化工艺,但目前的应用是在计算机上的反复试错,依赖于设计者的经验, 费时、 费力且难以获得最优的工艺.将CAE及Taguchi DOE技术结合,可在较少的分析次数下自动获得优 化工艺,从而改善了制品质量.收缩和沉降斑是衡量注塑制品质量的两个重要指标,文中基于一个工业 产品,采用L9(34)正交矩阵进行实验,研究工艺参数对注塑制品内最大沉降斑和体收缩率变化的影响, 获得优化工艺参数使体收缩率变化和沉降斑指数达到最小,分析结果表明了该方法的有效性 1 关键词:注塑成型;工艺优化; DOE;体收缩率;沉降斑 中图分类号: TQ 320166 文献标识码: A 0 引言 注塑成型是重要的塑料制品成型方式,适于 大批量生产形状复杂、 尺寸要求精确的塑料制品. 在成型过程中,材料开始要经历温度和压力增加、 严重的剪切变形,随后在模具型腔中温度和压力 急剧下降,使得制品固化,同时未来得及松弛的残 余应力和取向及其他一些制品性能保留了下来, 决定了制品的质量.因此,注塑成型制品的质量受 到许多因素的影响.这些因素有:与模具设计和冷 却管道设计有关的几何参数,材料性能参数包括 聚合物材料的流变性能、 热力学性能、 物理性能、 机械性能及在充填、 保压和冷却过程中的工艺参 数等.随着热塑性塑料在生产中的应用越来越广 泛,获得合适的工艺条件越来越显得迫切.在制品 和模具设计中已经广泛采用数值模拟辅助设 计1,而在工艺设置和调节方面,还没有类似的方 法辅助工艺工程师.上个世纪90年代,基于知识 的专家系统可帮助提供工艺设计的智能建议和智 能决策2.然而,因为其自身的定性和定量推理的 不完整性,仅仅靠基于知识的专家系统还难以给 出优化解.近年来,研究者们采用多种方法对工艺 优化进行了研究3 ,4,如传统优化技术、 遗传算 法、 神经网络等,这些方法理论性太强,工厂的技 术人员很难理解,使得其在实际中的应用存在一 定的困难. 注射成型的非线性、 多变量特性,使得其工艺 的设置非常困难.而传统的试错方法虽然可以改 善制品质量,却费时费力耗资. CAE技术的出现, 使得注塑成型工艺的计算机模拟能帮助工艺工程 师迎接这一挑战,可通过对成型过程的模拟,及早 发现不合理的工艺设置,修改参数并最终获得无 明显缺陷的注塑制品.而CAE技术与DOE技术的 结合,可方便实现工艺的自动优化.本文结合CAE 技术和DOE技术研究工艺参数对制品质量的影 响并优化工艺参数. 1 数值模拟与实验设计结合的工艺优化 理论 CAE技术可用来确定合适的工艺参数,这对 于大型、 复杂和尺寸要求精确的制品显得尤为重 要.应用CAE技术优化工艺参数时,甚至还可以 没有制品和模具原型,可节省大量的时间和资金. 但目前的应用也仅限于应用CAE分析代替反复 试模,这只能使工艺调节到无明显制品缺陷的工 艺,而不能达到最优工艺,而且对于大型复杂的制 2003年 9月 第24卷 第3期 郑 州 大 学 学 报(工 学 版) Journal of Zhengzhou University (Engineering Science) Sep1 2003 Vol124 No13 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 品,由于工艺模型及几何模型的复杂性,CAE分析 时间较长,限制了其在工艺优化方面的应用.因 此,合理设计实验,有效利用CAE分析,以较少的 分析次数获得足够的实验信息,并实现工艺参数 的自动优化具有重要的意义. 111 注塑成型充填/后充填过程的数值模拟 在塑料制品生产中,塑料、 模具和加工设备三 者密切相关,塑料加工不单纯是物理过程,而是控 制制品的结构和性能的中心环节.近年来,随着计 算机辅助工程(CAE)技术的发展,该技术在塑料 加工行业的应用也越来越广泛.对加工过程进行 数值模拟,可研究加工条件的变化规律,预测制品 的结构和性能,选择制品和模具设计以及工艺条 件的最佳方案,对塑料在加工过程中的流动、 传热 以及在力场和温度场的作用下所出现的物理变化 及化学变化得以深刻的了解,使加工成型从一门 实用技术变为一门应用科学. 在注塑成型过程中,由于模腔的复杂性及 聚合物熔体流变性质的复杂性,再加上移动边界 的存在,问题的求解存在着很大的困难.但由于注 塑件通常都是薄壁件,通过引入Hele - Shaw近似 并给出适当的简化,得到最终的控制方程组压力 方程是二维的,而温度场控制方程仍然保持三维. 本文基于非牛顿流体在非等温下的广义Hele - Shaw流动的控制方程,建立注塑成型充填/后 充填过程统一的数学模型.在注塑成型充填/后充 填阶段,熔体在模具中流动的控制方程可表示 为1: ? ?t + ? ?x (vx ) + ? ?y (vy ) = 0 (1) ?p ?x - ? ?z (? vx ?z ) = 0 (2) ?p ?y - ? ?z (? vy ?z ) = 0 (3) Cp ( T ) ?T ?t +vx ?T ?x +vy ?T ?y = ? ?z ( k( T) ?T ?z ) + 2 (4) 式中:P为压力;T为温度;为密度;Cp ( T )是比 热;k( T)是聚合物熔体的热传导率;为剪切粘 度; 为剪切速率 ;x , y为中面的坐标;z是型腔厚 度方向的坐标;S是流通率 1 在充填和后充填阶段,聚合物在模腔中的流 动行为强烈地依赖于熔体的流变、 物理及热性能, 这里剪切粘度采用cross - WLF1粘度模型,p-v -T方程采用双域Tait经验方程1,k ( T)和 Cp(T)均为温度的函数1. 基于上述控制方程,结合适当的边界条件,采 用混合有限元/有限差分/控制体积法实现充填/ 后充填一体化模拟.通过充填/后充填模拟,我们 可对成型过程中熔体的流动行为、 各种场(温度、 压力、 速度、 密度等等)的分布及变化得以深刻的 了解,并可预测制品的性能. 采用数值模拟代替真实实验具有以下优势: 方便改变输入参数值的范围.在真实实验中,一 些极端值会受到实际条件的限制. 独立变量的 任意水平组合都是可能的. 计算机模拟实验结 果的重复性较高. 许多情况下,模拟实验的时间 及花费要求较少. 可预测实际实验难以测量的 一些质量性能指标. 112 Taguchi实验设计(DOE)技术 多因子实验布置技术最早由英国R1A1Fisher 提出,这种方法称为因子实验设计.全因子实验要 包含所有因子的所有可能组合,在真实的工业实 验中一般包含大量的实验因子,这将导致实验数 目巨大.为了降低实验数目,只需由所有可能组合 中挑选一小部分因子组合进行实验并可获得充分 的实验信息, Taguchi实验设计技术即是这样一种 实验设计技术. Taguchi实验基于一定的规则设计 正交实验矩阵,确保以最小数目的实验获得全因 子实验中影响性能参数的全部信息.正交矩阵方 法的关键在于每个实验的设计变量水平组合的挑 选. Taguchi实验设计技术传统的应用是设置各 个影响因子的水平组合进行真实的实验并研究实 验结果.然而,有许多情况真实实验难以进行且有 些质量指标很难测量,随着数值模拟技术在工业 中的应用,可用数值方法模拟真实实验. 本文利用注塑成型充填/后充填的数值模拟 代替真实实验进行模拟实验预测成型过程及制品 性能.注塑制品质量受到很多因素的影响,而且这 些变量的变化范围很广,这些因素对制品质量的 影响研究即使采用CAE模拟工作量也非常大.因 此,如在实际实验中一样,采用DOE技术设计实 验以减少实验次数而获得足够的信息58.这里 采用TAG UCHI DOE技术设计实验,并通过一系列 数值实验研究各个工艺参数对制品质量的影响而 得到优化解,数值模拟与DOE结合进行工艺优化 的具体思路如图1所示. 应用正交矩阵是一种有效的方法同时研究多 个工艺参数的影响.在Taguchi DOE技术中,一旦 36第3期 王利霞等 工艺参数对注塑制品质量的影响研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 参数和水平确定,从许多参考书中即可查到对应 的正交矩阵布置.注意在实验中,所选参数必须是 相互独立的且在操作窗口内是连续的,否则将导 致错误结论7. 图1 数值模拟与DOE结合的注塑工艺优化实施思路 Fig11 Flow chart of the process optimization for plastic injection molding using CAE/ DOE combination method 上述工艺优化过程可方便地在计算机上自动 实现,避免了人工干预带来的误差. 2 实验和结果 本文选用一个工业产品作为研究算例(图 2) ,材料为PP ,实验参数及参数水平设置见表1. 基于4参数3水平的正交矩阵见表2.对于注塑制 品,沉降斑68和收缩5 ,7是制品质量的两个重 要指标,沉降斑严重影响制品的表面质量,而收缩 及收缩不均匀会使得制品产生翘曲,严重影响制 品的尺寸和形状,因此本文选用制品内的最大沉 降斑深度及体收缩率变化(最大和最小体收缩率 的差值)作为质量指标,用CAE分析代替真实实 验,数值实验结果见表2. 图2 几何模型 Fig12 Model geometry 表1 因子和水平设置 Tab11 Factors and levels 参数水平1水平2水平3 熔体温度A/215230245 模具温度B/455055 充填时间C/ s116210214 保压时间D/ s8101012 表2 实验正交矩阵及实验结果 Tab12 Experiments array and the results 实验号ABCD沉降斑深度/ %体收缩率变化/ % 1111101431 66501393 760 2122201241 22601529 573 3133301270 05801639 262 4212301432 74501747 449 5223101690 46901380 614 6231201376 10201339 869 7313201463 57001574 878 8321301355 12901553 461 9332111038 17601283 321 K1101314 31601442 66001387 63201720 103 K1201499 77201428 94101570 71501360 299 K1301618 95801561 44501474 69901352 644 R101304 64201132 50401183 08301367 459 K2101520 86501572 02901429 03001352 565 K2201489 31101487 88301520 11401481 440 K2301470 55301420 81701531 58501646 724 R201050 31201151 21201102 55501294 159 说明:Kqi是在某个工艺参数第i个水平下的第q个质量指标的平均值;Rq代表某个工艺参数影响下第q个质量指标的 极差;i= 1 ,2 ,3代表三个水平;q= 1 ,2分别代表沉降斑和体收缩率. 46 郑 州 大 学 学 报(工 学 版) 2003年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 3 结果分析和讨论 对实验结果进行分析.参数对沉降斑深度和 体收缩率的影响见图3.基于变量分析(ANOVA) , 计算各个变量的主效应,预测优化的工艺组合并 对优化结果进行预测. 图3 各个因子对质量指标的影响 Fig13 Influence of factors on sinkmarks and volumetic shrinkage 311 工艺参数对沉降斑的影响 图 3(a) 给出各因子对沉降斑的影响,图中的 数字表示各个因子的值的变化.由图3 (a) ,对于 材料PP ,在所研究的工艺范围内,可得出以下结 论:熔体温度对沉降斑的影响最强,熔体温度 越高,沉降斑深度越大.模具温度升高导致沉 降斑深度增大.注射时间越长,相应的注射速 率越低,导致沉降斑深度增大.在浇口凝固前 保压时间越长则沉降斑深度越小. 312 工艺参数对体收缩率变化的影响 由图 3(b) 可得出如下结论,对于材料PP ,在 所研究的工艺范围内:保压时间对体收缩率变 化影响最大,保压时间越长体收缩率变化越大. 模具温度对体收缩率的影响也较强,模具温度越 高,体收缩率变化越低.熔体温度和充填时间 对体收缩率的影响较弱. 313工艺参数优化 由图3 ,可以得到引起最小制品质量缺陷的 工艺组合如下:基于最小化沉降斑深度,优化的工 艺组合为:A1B2C1D 3( 即A= 215,B= 50, C= 116 s ,D= 12 s) ;而基于最小化体收缩率变 化,优化工艺组合为:A3B3C1D1(即A= 245, B=55,C= 116 s ,D= 8 s) .可以看到,预测的 优化工艺组合没有包含在正交矩阵中的主实验 中,需要对预测结果进行验证. 采用数值实验验证优化工艺,在优化工艺组 合A1B2C1D3下,沉降斑深度为01241 208 ,其值 小 于 所 有 主 实 验 的 值;在 优 化 工 艺 组 合 A3B3C1D1下,体收缩率变化为01136 725 ,小于 所有主实验中的结果.因此,应用优化因子水平可 以改善注塑成型制品的质量,同时也表明所选因 子之间的影响关系较弱. 如果想同时对多个质量指标进行优化,可根 据各个质量指标的重要性和各个工艺参数对质量 指标的影响程度进行综合评判,得出使得制品总 体质量最优的工艺组合. 4 结论 (1) Taguchi DOE是一种有效的方法研究工 艺参数对注塑成型制品的影响,象在真实实验中 一样,应用该技术可用较少的数值实验获得足够 的信息.采用CAE可方便地进行数值实验,较真 实实验节省大量时间和费用. CAE与实验设计技 术结合,可方便地实现注塑成型工艺的自动优化. (2)本研究中,对于材料PP ,在所研究的工艺 范围内,降低熔体温度,降低模具温度,缩短注射 时间及延长保压时间可减小沉降斑深度. (3)本研究中,对于材料PP ,在所研究的工艺 范围内,升高熔体温度、 升高模具温度、 缩短注射 时间、 缩短保压时间可使体收缩率变化减小,即体 收缩率均匀,从而减小制品产生翘曲的可能性. 参考文献: 1 CHIANG H H , HIEBER C A , WANG K K1A unified simulation of the filling and post - filling stages in injection molding, part I: formulation J 1Polymer Engineering and Science , 1991 , 31(2) :1161391 2 KIM S , SUH N , Knowledge - based synthesis system for injection molding J 1Robotics and Computer Integrated Manufacturing , 1987 ,3(2) :1811861 3 CHOI G H , LEE KD , CHANGN1Optimization of pro2 cess parameters of injection molding with neural network application in a process simulation environment J 1An2 nals of the CIRP , 1994 ,43(1) : 4494521 4 YE Hua , WU Y inghui , WANG K K1An optimization scheme for part quality in injection moldingA1MD - Vol 79 , CAE and Intelligent Processing of Polymetric Ma2 terials , ASME 1997C1199711391491 56第3期 王利霞等 工艺参数对注塑制品质量的影响研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 5 CHANG Tao C1Shrinkage behavior and optimization of in2 jection molded parts studied by taguchi methodJ 1Poly2 mer Engineering and Science , 2001 , 41(5) : 7037101 6 LIU Shih Jung , CHANG Jer Haur , Application of the taguchi method to optimize the surface quality of gas assist injection molded composites J 1Journal of Reinforced Plastics and Composites , 2000 ,19(17) :135213621 7 OTTO Vtinen , PENTTIJrvel , KYSTI Valta ,et al1The ef2 fect of processing parameters on the quality of injection moulded parts by using the taguchi parameter design methodJ 1Plastics , Rubber and Composites Processing and Applications , 1994 ,21(4) : 212171 8 LIU Shih Jung1Effects of processing parameters on forma2 tion of sinkmarks on injection moulded partsJ 1Plastics , Rubber and Composites , 2001 , 30(4) : 170174 Influence of Processing Parameter on Quality of Plastic Injection Molded Parts WANGLi - xia ,WANGBei ,SHEN Chang - yu (National Engineering Research Center for Advanced Polymer Processing T echnology , Zhengzhou University, Zhengzhou 450002 , China ) Abstract : The process complexity of plastic injection molding makes it difficult to set up desired processing condi2 tions and the quality of an injection - molded part is affected by these process factors , so how to get the optimum process conditions is key to improving the part quality1CAE can aid process engineer to optimize the process condi2 tions , but this method